1H4-2 人工心肺装置用スマートアラームのための異常検知

人工心肺装置用

異常検知

Fault Detection for Smart Alarm of Cardiopulmonary Bypass

松井 藤五郎

∗

1

∗

2 Tohgoroh Matsui

児玉 泰

∗

1 Yasushi Kodama

宮崎 洋輔

∗

1 Yosuke Miyazaki

中野 琴江

∗

1 Kotoe Nakano

∗

1

_{中部大学生命健康科学部臨床工学科}

Department of Clinical Engineering, College of Life and Health Sciences, Chubu University

∗

2

_{中部大学工学部情報工学科}

Department of Computer Science, College of Engineering, Chubu University

This paper describes a method to detect faults in Cardiopulmonary Bypass. We use rare pattern mining, which is based on conditional probabilities, in order to detect faults. We confirmed that our proposed method improves the sensitivity also called recall in data mining.

1.

人工心肺装置_[1] 心臓手術 際 用 医療機器 ，手術 患者 心臓 停止 間，全身 血液 送 心臓 血液中 酸素 取 込 肺 役割 担 ．臨床工学 技士 ，人工心肺装置 安全 作動 日常 装置 人 工心肺装置 点検・整備 ，手術 人工心肺装置 操 作 担当 ． 人工心肺装置 使用時 異常 生 患者 命 関 重要 装置 ，使用時 異常事態 備 ，貯血槽液面 低下 検知 鳴 ，回路内 気泡 検出 鳴 送血 気泡検出器（ ）， 遠心 揚程 上昇 血流量 低下 送血回路 屈曲 血流量 低下 検知 鳴 流量下限 ，回路内圧 異常値 検知 鳴 圧力 ，様々 安全装置 取 付 _[2]． 安全装置 ，基本的 ， 値 事前 設定 正常値 範囲 外 鳴 仕組 ． ， 方法 ，一旦正常値 範囲 外 鳴 続 問題 ， 値 正常値 範囲内 生 異常 検知 問題 ． 我々 ， ，人工心肺装置 対 時 系列 _[3] 方法 適用 ，時系列 基 心臓手術 用 人工心肺装置 異常 検知 手法 開 発 ， 試作 _{[4, 5]}．_[4] ，人工心肺 装置 患者 送 一分間当 血液 量 表 灌流量 着目 ，灌流量 全体平均 基 異常 検知 手法 提案 ．全体平均 手術後 計算 ，手術 中 異常 検知 ． ，_[5] ，手術中 異常 検知 ，移動平均 基 異常 検知 方 法 提案 ． ，灌流量 ，患者 送 血液 圧力 送血圧 対 異常検知 行 ，灌流量 対 異常検知 組 合 方法 提案 ． 本論文 ，人工心肺装置用 異常 連絡先_:松井藤五郎，中部大学生命健康科学部臨床工学科兼 工学部情報工学科，愛知県春日井市松本町 ₁₂₀₀番地， [email protected] 図 1 人工心肺装置 検知 手法 述 ，本手法 有効性 臨床工学技士 立 場 評価 ．

2.

人工心肺装置

人工心肺装置 ，主 ，貯血槽，血液 ，人工肺，動脈 ，血液回路 構成 _[6]．本学 実習 用 人工心肺装置 図₁ 示 ． 貯血槽 ，患者 脱血 血液 吸引 血液 貯留 ，循環血液量 調節 役目 ．血液 ， 回転 血液 送 ， 回転 遠心力 圧力差 発生 血液 流 作 遠 心 有 ，臨床工学技士 心臓手術中 操作 ．人工肺 ，多数 微細孔 持 人工膜 通 酸素 二酸化炭素 交換 行 _[7]．動脈 ，血液中 異物 気泡 取 除 ，塞栓 防止 役割 ．血液回路 ，貯血槽，血液 ，人工肺，動脈 接続 血液流路 ，血管 代行 ． 人工心肺装置 ，各種操作 対 時間，灌流量， FiO2（吸入気酸素濃度），尿量，送血温，送血圧，_pH，_PO2， PCO2，血圧，体温 数十種類 値 手術 経過時間 共 ₁

1

The 29th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2015

図 2 手術 灌流量 変化． 分 記録 ． ，臨床工学技士 「体外循環開 始」「体外循環終了」「採血」「大動脈遮断」 付与 ， 付与 経過時間 各 項目 値 記録 ． 手術 灌流量 変化 図₂ 示 ． ， 灌流量 ，体外循環 開始 増加 ，体外循環 間，体 表面積 求 目標灌流量 調整 ． ，時折，患者 容態 手術 進行状況 ，灌流 量 大 変化 ．本研究 ， 灌流 量 変化 ，通常 手術 発生 変化 異 常 検知 ．

3.

手法

時刻_t 観測 値 _xt ．時刻_t ，直近_m分間 移動平均 求 ， _µt,m ． µt,m

=

1 m m

∑

k=1 xt−k+1 (1) 現在 ，臨床工学技士 経験 基 _m

=

5 ． 次 ，_{xt µt,m} 比較 ，以下 _xt

_{

_{A, B, C, D, E}

_}

対応 離散化 ，_ct ． ct

=

                 A xt

≥ (

1

+

σ2

)

µt,m B

(

1

+

σ₁

)

µ_t,m

≤

xt

< (

1

+

σ2

)

µt,m C

(

1

−

σ1

)

µt,m

≤

xt

< (

1

+

σ1

)

µt,m D

(

1

−

σ2

)

µt,m

≤

xt

< (

1

−

σ1

)

µt,m E 以外 (2) σ1,σ2 離散化 閾値 表 ，現在 臨床 工学技士 経験 基 _σ1

=

0.1，_σ2

=

0.2 ． 続 ，離散化 値 _n 時系列 _p 作成 ，_p 出現 後 離散値_c 出現 確 率 求 ． Pr

(

ct

|

pt−1

) =

Pr

(

C

=

ct

|

P

=

pt−1

) =

N

(

p, c

)

N

(

p

)

(3) ，関数_N

(

p

)

時系列 _p 出現 回数 表 ， 関数_N

(

p, c

)

時系列 _p 直後 離散値_c 出現 図 3 図 2 灌流量 対 異常検知 行 結果． 図 4 試作 回数 表 ．現在 ，臨床工学技士 経験 基 _n 長 _n

=

5 ．本論文 ， 確率 時系列

(

p_t−1, ct

)

条件付 確率 呼 ． 移動平均_{µt xt} 離散値_ct 求 ，直前 _n 時系 列 _pt−1 条件 条件付 確率_Pr

(

ct

|

pt1

)

閾値θ 以下 ， 異常 検知 ．現在 ，臨床工 学技士 経験 基 ，_θ

=

0.01 ． 図₃ ，図₂ 灌流量 対 異常検知 行 場合 検出 異常 示 ．丸印 異常 検知 ，太 線 異常検知 際 用 時系列 表 ． ，灌流量 送血圧 対 行 ，両方 異常 検知 黄色 警告灯 点灯 ， 一方 以上 検知 （青色） 警告灯 点灯 警告 ． 仕様 ，医療機器 関 _JIS規格_[8] 基 策定 ． 試作 図₄ 示 ．本体 _Raspberry Pi 使用 ，警告灯 監視表示灯 用 ．

4.

結果

人工心肺装置 専門家 観点 提案手法 異常検知 評価 行 ． 全₃₈₄ 手術例 ， 欠損 含 取 除 ，解析 可能 ₃₄₁ 手術例 取 出 ．

2

0 0.25 0.5 0.75 1 感度 陽性的中率 73.7% 93.6% 75.4% 60.9% 灌流量のみ 灌流量・送血圧 意図的行為が行われたとき 全体 0 0.25 0.5 0.75 1 感度 陽性的中率 78.5% 88% 81.1% 61.6% 灌流量のみ 灌流量・送血圧 図 5 感度 陽性的中率 比較． 341 手術例 ・ 無作為 34 手術例 選択 ， 手術例 ， 手術例 以外 ₃₄₀ 手術例 訓練 出現 条件付 確率 求 異常検知 行 ． 後，提案 手法 検知 異常 実際 異常 ， ，提 案手法 検知 異常 調 ，提案手法 感度 （再現度，_recall） 陽性的中率（精度，適合率，_precision） 求 ． 結果 図₅左 示 ．灌流量 異常 検知 感度 _61.6% ，灌流量 送血圧 組 合 感度 _{88.0% 26.4%}上昇 ． 対 ， 陽性的中率 低下 _{81.1% 78.5% 2.6%}低下 ． ， 大動脈遮断 薬液注入 医師 臨 床工学技士 意図的 行為 行 判断 ，意図 的 行為 行 限定 場合 感度 陽性的中率 調 ． 図₅右 示 ．意図的 操作 行 限定 ，感度 _{60.9% 93.6% 32.7%}上昇 ，陽 性的中率 _{75.4% 73.7% 1.7%}低下 ． 次 ，₃₄₁ 手術例 対象 灌流量 異常 抽出 結果 表₁ 示 ．条件 出現回数 最 多 CCCCC ，出現回数 _41,641 ． 表 ，_CCCCC 出現 ， 直後 出現 確率 最 低 _A ， 確率 _0.00307 ．同様 ，_CCCCC 直後 _{B E} 出現 異常 検知 ． ，_CCCCC 直後 _C 出現 （_41,641回中_40,193回出現，条件付 確率_0.965） ，_D 出現 （同₅₃₉回出現，条件付 確率_0.0129） 異常 判断 ．同様 ，送血圧 異常 抽出 結果 表₂ 示 ．

5.

考察

人工心肺装置 患者 命 預 装置 ，人工心肺 装置用 異常 見逃 防 高 感度 必要 ．本論文 評価 ，提案手法 感度 大幅 上昇 確認 ． 一般 ，感度 陽性的中率 間 関係 ，感度 上昇 陽性的中率 低下 ．提案手法 ，感度 上昇 陽性的中率 低下 ． 提案手法 ，感度 大幅 上昇 ，陽性的中率 低下 ． ，提案手法 従来手法 比 有効 考 ． 0mmHg 75mmHg 150mmHg 225mmHg 300mmHg 0mL/min 1,000mL/min 2,000mL/min 3,000mL/min 4,000mL/min 13:14 13:15 13:16 13:17 13:18 13:19 13:20 灌流量 (mL/min) 送血圧 (mmHg) 図 6 意図的行為（大動脈遮断） 行 見逃 異常 例 ，大動脈遮断 薬液注入 ，医師 臨床工学技士 意図的 行為 行 ，灌流量 送血圧 変化 生 ．提案手法 ， 状況 高 感度 異常 検知 ． 提案手法 見逃 異常 調査 ，検討 ， 34例 手術中，意図的行為 臨床的異常 見逃 16回，意図的行為 臨床的異常 見逃 ₁₀回 生 ．意図的行為 ，₁₆回中₇回 動脈圧 変動 ，₄回 肺動脈圧 変動 ．意図的行為 ，₁₀回中₄回 心筋保護液∗1注入時 ，₃回 大動脈遮断時 ．例 ， 手術 意図的 行為（大動脈遮断） 行 灌流量 送血圧 変化 図₆ 示 ．_13:19 ，大動脈遮断 行 ，灌 流量 一時的 _0mL/min ． CCCDCE ．_CCCDC 出現 ₂₇₅回 中₄回 直後 _E 出現 ， 条件付 確率 0.0145 ． ，現在 経験的 _0.01 設定 条件 付 確率 対 閾値 変更 ，感度 陽性的中率 変化 調 ，適切 閾値 設定 必要 考 ． ， 値 条 件付 出現確率 関 異常 検知 ， 持 知識 化 組 合 見逃 減 考 ． ∗1 心停止中 余分 心筋 代謝 抑 ，心筋細胞 低酸素状態 陥 障害 防 液体．

3

表 1 灌流量 異常 検知 出現回 数，条件出現回数，条件付 確率． ，出現回数 0 除 ． 出現 条件 確率 DCCCCA 1 395 0.00253 BCCCCA 2 761 0.00263 CBCCCA 1 348 0.00287 CCCCCA 128 41,641 0.00307 CCCBCA 1 307 0.00326 ACCCCA 1 285 0.00351 BBCCCA 1 222 0.00450 BBCCCB 1 222 0.00450 BBCCCE 1 222 0.00450 CCCCBE 2 401 0.00499 CCCDDA 1 192 0.00521 CCCCDA 3 569 0.00527 CBCCCB 2 348 0.00575 CCBCCE 2 319 0.00627 CCDCCA 2 275 0.00727 CCDCCE 2 275 0.00727 EAAAAD 1 136 0.00735 AABCCA 1 124 0.00806 CCCDEB 1 117 0.00855 CCCCCB 372 41,641 0.00893 CBBCCA 1 111 0.00901 CBBCCB 1 111 0.00901 CBBCCE 1 111 0.00901 CCCBBA 1 110 0.00909 CCEAAD 1 103 0.00971 CCEAAE 1 103 0.00971 CCDDCA 1 102 0.00980 CCCCCE 409 41,641 0.00982 CEAAAD 1 101 0.00990

6.

本論文 ，人工心肺装置用 異常 検知 手法 述 ，本手法 有効性 臨床工学技士 立 場 感度（再現率） 陽性的中率（精度，適合率） 尺度 評価 ．₃₄₁ 手術例 ₃₄ 手術例 無作為抽出 評 価 結果，本手法 ，陽性的中率 下 感 度 大 上 確認 ． 人工心肺装置 患者 命 預 重要 医療機器 ， 異常 見逃 限 ， ，異常検知 感度 限 上 望 ． 点 ，提案手 法 有効 言 ． 今後 ，動脈圧 患者 状態 対 異常検知 組 合 感度 上昇 ，現在 経験的 決 異常検知 閾値 見直 感度 陽性的中率 取 ， 知見 化 組 合 課題 ． 表 2 送血圧 異常 検知 出現回 数，条件出現回数，条件付 確率． ，出現回数 0 除 ． 出現 条件 確率 CCCCCA 149 39,795 0.00374 CCBCCA 1 266 0.00376 CCBCCE 1 266 0.00376 CCCBCA 1 259 0.00386 CCCBCE 1 259 0.00386 CCCCCE 195 39,795 0.00490 DDCCCA 1 200 0.005 CCDCCE 2 372 0.00538 DCCCCA 4 564 0.00709 BCCCCA 5 673 0.00743 CCCCCB 314 39,795 0.00789 CCDDCA 1 122 0.00820 CCDDCE 1 122 0.00820 CDDCCA 1 119 0.00840 CDDCCE 1 119 0.00840 CDCCCA 3 353 0.00850 EEEEEC 4 449 0.00891 ACCCCA 1 107 0.00935 ACCCCB 1 107 0.00935 CCCDDA 2 212 0.00943 CCCCDA 6 631 0.00951 CCCCDB 6 631 0.00951

参考文献

[1] 上田裕一編_:最新 人工心肺 理論 実際_,第₄版_,名古屋大学 出版会_{, 2011} [2] 安野誠_:人工心肺 安全装置 進歩_, , Vol. 23, No. 9, 2012年₉月号_{, pp. 859–868, 2012} [3] 山西健司 編_: 異常検知_,第₂版_,共 立出版_{, 2010} [4] 野田貴紀_,松井藤五郎_,児玉泰_:時系列 用 人工心肺装置 異常検知_.第₃回 指向構成 研究会_{(SIG-DOCMAS), 2012} [5] 今福涼太_,田中将之_,泉喬太_,長瀬瞬_,松井藤五郎_,児玉泰_: 人工心肺装置 複数 時系列 基 異 状検知_.電子情報通信学会 認識 理解 研究会_{, IEICE-PRMU-177,}信学技報_{, Vol. 113, No. 493,}

pp. 55–60, 2014 [6] 人工心肺装置 標準的接続方法 応 安全教 育等 関 _, 日本心臓血管外科学会_,日本 胸部外科学会_,日本人工臓器学会_,日本体外循環技術医学 会_,日本医療器材工業会_{, pp. 3–5, 2007} [7] 南淵明宏_,茨城保_:実践人工心肺_,第₁版_,医学書院_{, 2002} [8] 医用電気機器_-第_1-8部：基礎安全及 基本性能 関 一 般要求事項_-副通則：医用電気機器及 医用電気 関 一般要求事項，試験方法及 適 用指針_{, JIS T 60601-1-8:2012 (IEC 60601-1-8:2006),}日本 規格協会_{, 2012}

4